专利名称：Mems麦克风的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种MEMS麦克风。
背景技术：
扬声器和麦克风实质上包括提供声压波与电信号之间转换的可移动振动膜 (diaphragm)或者其他构件。麦克风正在从典型的模拟麦克风变成数字麦克风模块。这些麦克风模块典型地由用微机电系统(MEMQ工艺制造的传感器和模数转换器(ADC)组成。ADC(典型地是西格玛德尔塔型转换器)的输出是向基带处理器输出数据的PDM(脉冲密度调制)流。对于诸如GSM之类的大量市场应用，MEMS提供了传统驻极体电容麦克风(ECM)的一种更加廉价和可再现备选方案。MEMS麦克风中的振动膜(membrane)通常是悬置于基底衬底上的硅振动膜。基底衬底粘合到层压片上，层压片承载诸如处理麦克风信号的IC之类的其他部件。MEMS麦克风的响应受到随着声压变化而移动的Si振动膜中压力的极大影响。例如，这种应力会受到衬底中应变的极大影响，衬底中的应变由MEMS麦克风结构的基底衬底与其上粘合的层压片之间的热膨胀系数差异引起。
发明内容
根据本发明，提出了一种MEMS麦克风，包括支撑面；所述支撑面上的麦克风衬底；所述衬底上支撑的由麦克风振动膜和间隔的背部电极组成的组件，其中所述衬底在所述组件下面具有开口，其中所述衬底包括下部区，对下部区进行图案化，以在支撑面与衬底之间的界面处限定多个离散的间隔部分或者多个离散的间隔开口，其中所述图案化仅部分地延伸到所述衬底中。通过将所述界面限定为一组离散的部分(即，在所述界面的平面内彼此不相连的部分)，所述结构向在工艺期间可能增加的有差别的膨胀和收缩提供一些回复力 (resilience)。所述支撑面可以是与衬底不同的材料，例如PCB层压片作为支撑面，而硅作为衬底。因为所述图案化仅部分地延伸到衬底中，衬底的一侧具有需要的图案化，以允许有差别的膨胀和收缩，而另一侧具有连续的支撑面，用于支撑麦克风组件。所述离散的间隔部分可以包括衬底的柱状末端阵列。通过在衬底的表面处形成柱状物，可以限定均勻的支撑界面，这允许沿所有方向的有差别的膨胀和收缩。然而，可以代替地使用同心环。所述组件可以包括衬底上的麦克风振动膜、麦克风振动膜上的牺牲间隔层和牺牲间隔层上支撑的背部电极。这限定了底部具有振动膜的结构，即背部体积(back volume) (使得声压通过背部电极激励振动膜)。然而，可以密封麦克风，使得背部体积位于振动膜上面。在这种情况下，所述支撑面可以具有声音进入开口。所述衬底可以包括SOI衬底布置的基底层，并且所述振动膜包括SOI衬底的顶部硅层。优选地，所述背部电极包括穿孔层，所述穿孔层限定了刻蚀开口，并且提供空气通道。本发明还提供了一种制造MEMS麦克风的方法，包括在麦克风衬底上形成由麦克风振动膜和间隔背部电极组成的组件；形成穿过所述组件下面的衬底的开口 ；以及将衬底和组件附着到支撑面上，其中形成开口也包括通过仅部分地刻蚀到所述衬底的下表面中，对除了形成开口的地方之外的麦克风衬底进行图案化；使得在附着到支撑面之后，所述支撑面与所述衬底之间的界面包括多个离散的间隔部分。所述图案化可以限定较窄的沟道，其中选择沟道宽度，使得用于限定开口的刻蚀条件获得部分地穿过衬底延伸的沟道。按照这种方式，在衬底中形成开口所需的现有刻蚀工艺用于限定所述图案化。
现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中图1示出了已知的MEMS电容性麦克风设计；图2更详细地示出了另一种已知的MEMS电容性麦克风设计；图3示出了本发明的MEMS电容性麦克风设计的示例；图4用于示出图案设计如何使得现有的衬底刻蚀用于根据本发明示例在衬底中形成图案。
具体实施例方式本发明提供了一种MEMS麦克风，其中在载体(例如电路板层片上)上提供麦克风结构上。麦克风结构的基底是衬底，例如硅衬底。对衬底的底部(即面对载体的一侧)进行图案化以限定在与下面载体存在连接的应力消除图案。这改善了在工艺期间所述结构对不同层的有差别的膨胀或收缩的容限。图1示出了已知的MEMS电容性麦克风设计，其具有底部声音进入端口。麦克风被形成为集成MEMS器件10，其中振动膜12悬置于半导体衬底14中的开口上。背部电极13具有穿孔以允许空气流动，使得振动膜可以移动。所述振动膜暴露于声学入口 16处的声压下。在这种设计中，麦克风上的密封体积限定了麦克风的背部体积。通过ASIC 17 处理所述麦克风信号，并且将麦克风的部件密封在由帽层18和承载了所述部件的层压片 19 (即PCB)所限定的背部体积中。本发明与麦克风的密封无关，实际上可以应用于没有密封的麦克风设计。另外，声音入口可以位于麦克风结构上面而不是下面。
图2更详细地示出了标准MEMS麦克风设计结构的另一个示例，但是声音入口位于麦克风结构的上面。在这种情况下，振动膜下面所封闭的体积限定了麦克风背部体积。示出了麦克风的平面图和截面图。图2示出了基底硅衬底101、掩埋氧化物102和硅振动膜电极103。这三层可以形成标准的SOI (绝缘体上的硅)衬底。在SOI衬底上提供牺牲间隔层104。将背部电极示出为105。对上述进行图案化以限定背部电极开口，并且这些开口用于刻蚀牺牲层。将麦克风结构安装到层压片106上。对衬底101进行回蚀以限定振动膜103下面的衬底和绝缘层中的开口。如平面图所示，实现振动膜103的电接触110，以及背部电极105的电接触111。将所述结构在升高的温度下粘合到层压片106上。在衬底101中引起应变，主要是在冷却阶段期间由于衬底101与层压片106之间热膨胀系数的差异导致所述应变。衬底中的应变导致振动膜103中不期望且很难控制的应力。图2的结构以及用于产生这种结构的制造方法是众所周知的。本发明提供了一种对于硅衬底的改进。图3示出了本发明的MEMS麦克风结构的一种实现的底视图和截面图。 振动膜103、间隔物104和背部电极105与图2中的相同。SOI衬底的底部衬底202 具有图案化的下表面。这种图案化提供了延伸到下表面中的沟道，使得接触下面的支撑层压片的底部表面不是完整的连续区域。代替地，在多个离散的区域202处与支撑层压片接触。所述衬底具有未图案化的区域202，所述未图案化的区域支撑绝缘体102和振动膜103 以及覆盖的牺牲间隔层104和背部电极105。衬底202可以是Si、Ge、SiGe、SiC、SiO2或Si3N4。层102对于非导电衬底的情况是可选的(例如对于Si3N4时的SiO2)，并且层102可以包括SW2或Si3N4。振动膜103可以是Si、Ge、SiGe, SiC或者诸如Al、W、Ti之类的金属、或者这些金属的导电氮化物。层104 可以包括SW2或Si3N4。层105类似地可以是Si、Ge、SiGe, SiC或者诸如Al、W、Ti之类的金属、或者这些金属的导电氮化物。如本领域普通技术人员清楚明白的，也可以使用现有技术已知的其他材料。同样，层压片106可以是现有技术已知的材料。在该实施例中，使用玻璃纤维加固的环氧双马来酰亚胺三嗪固化树脂层压片。可以代替地使用标准的层压衬底以及诸如HTCC 和LTCC之类的陶瓷衬底，所述标准的层压衬底包括焊料掩模材料和金属化，例如Au、Ni、 Cu。部分地刻蚀所述衬底以允许在衬底-层压片界面处引入的任意侧向应变的弹性释放，同时，衬底的上部未图案化部分提供刚性支撑，并且维持电极结构中的所需应力级别 (由晶片级别工艺来确定)。层压片106与衬底201之间的接触具有一组离散的接触区。在所示示例中，对衬底进行图案化以限定柱状物阵列。所述结构允许侧向的相对移动。诸如同心圆或者叶片 (vane)之类的备选侧面结构也是可以的，并且可以在不会带来附加的复杂度的情况下选择各种刻蚀深度，使得相对于结构完整性优化了应变消除。可以对标准Si MEMS麦克风工艺不进行修改而实现这种部分刻蚀。具体地，所述刻蚀利用硅的宽高比相关刻蚀速率，与麦克风背部体积的完全刻蚀同时进行。图4中示出了这种效果。通过相同的刻蚀工艺刻蚀沟道400a至400f，但是具有逐渐增加的宽度。所述宽度从5μπι逐渐增加到14μπι。如所示出的，所述宽度随着沟道宽度的增加而增加。如果柱状物区域201之间的间隔与柱状物的深度相比足够小，那么刻蚀速率将显著下降。因此，可以通过调整柱状物的间隔来调整已图案化区域201的深度。按照这样的方式，可以使用与背部体积的刻蚀相同的刻蚀工艺并且在相同的时间刻蚀柱状物之间的间隔。所述刻蚀工艺典型地是深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，以各向异性地刻蚀所述 MEMS衬底。各向异性刻蚀避免了使柱形物/柱状物易碎的底切(undercut)。作为示例，为了确保仅部分地刻蚀所述沟道，提供所需的热容限，接触面积可以在所组合的沟道与一般接触区域的接触面积的10%至50%之间(一般接触面积意味着除了诸如振动膜下面的衬底开口之类的任意大开口之外的区域)。要求10%的下阈值，使得刻蚀不会完全延伸穿过衬底。要求50%的上阈值，使得间隙足够明显，以在界面处提供所需的移动自由度。所述范围可以是10%至35%。在图3的示例中，接触面积大约为25%，具有按照柱状物宽度间隔开的规则正方形柱状物阵列。例如，所述图案可以延伸到衬底深度的20 %至80 %之间的深度。作为示例，SOI衬底结构的基底层的厚度典型地在200/700 μ m的范围。为了提供减缓各向异性刻蚀的合适宽高比(沟道宽度与深度之比)，以便即使在通过相同的工艺完全刻蚀所述开口的情况下， 防止完全刻蚀沟道，所述沟道的最大宽度典型地小于200 μ m。因此，刻蚀到衬底的底部表面的最大沟道宽度与衬底厚度之比在0. 3-1 μ m的范围。通过在衬底中提供较窄的刻蚀沟道， 可以在界面处提供大量分离的接触区域。所述图案不需要如同图3那样规则。在上述示例中，从SOI衬底的顶层限定振动膜，背部电极悬置于其上。然而，可以代替地在SOI衬底布置的顶部上形成所述背部电极，其中，振动膜悬置于顶部之上，例如由多晶硅构成。SOI衬底布置的使用并不是本质的。例如，所述麦克风结构可以由在传统的半导体衬底上沉积的其他薄膜层形成。因此，所述振动膜可以不是上述示例中的硅。所示的优选示例在衬底/载体界面处具有一组离散的接触区域。然而，可以代替地提供一组开口(例如，颠倒图3所示的结构)。因此，所述开口可以是离散的分离岛状物， 而不是衬底部分，并且其余材料可以限定互相连接的格子，例如正方形格子或蜂窝格子。本领域普通技术人员根据对于附图、公开和所附权利要求的研究，在实践要求权利的本发明时可以理解和实现对于所公开实施例的各种变化。在权利要求中，词语“包括” 不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”不排除多个。唯一的事实在于在相互不同的从属权利要求中引用的特定措施并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任意参考符号不应该解释为限制范围。
权利要求
1.一种MEMS麦克风，包括支撑面(106)；所述支撑面(106)上的麦克风衬底001，202)；在所述衬底上支撑的由麦克风振动膜(10 和间隔的背部电极(10 组成的组件，其中所述衬底在所述组件下面具有开口，其中所述衬底(201，201)包括下部区，所述下部区被图案化以在支撑面(106)与衬底 (201,202)之间的界面处限定多个离散的间隔部分O01)或者开口，其中所述图案化仅部分地延伸到所述衬底中。
2.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述离散的间隔部分或开口包括衬底的柱状末端阵列。
3.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述离散的间隔部分或开口包括同心环阵列。
4.根据任一前述权利要求所述的麦克风，其中所述组件包括衬底(201,20 上的麦克风振动膜(103)、麦克风振动膜(10 上的牺牲间隔层(104)和牺牲间隔层(104)上支撑的背部电极(105)。
5.根据权利要求4所述的麦克风，还包括衬底(201，202)与麦克风振动膜(103)之间的绝缘层(102)。
6.根据任一前述权利要求所述的麦克风，其中所述衬底包括SOI衬底布置的基底层， 并且所述振动膜包括SOI衬底的顶部硅层。
7.根据任一前述权利要求所述的麦克风，其中所述背部电极包括穿孔层。
8.一种制造MEMS麦克风的方法，包括在麦克风衬底(201,20 上形成由麦克风振动膜(10 和间隔背部电极(10 组成的组件；形成穿过所述组件下面的衬底O01，202)的开口 ；以及将衬底和组件附着至支撑面(106)，其中形成开口还包括通过仅部分地刻蚀到所述衬底的下表面中，对除了形成开口的地方之外的麦克风衬底(201,20 进行图案化；使得在附着至支撑面(106)之后，所述支撑面(106)与所述衬底(201,20 之间的界面包括多个离散的间隔部分O01)或开口。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述图案化限定了所述衬底的柱状末端阵列或者同心环阵列。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中在麦克风衬底(201,20 上形成由麦克风振动膜(10 和间隔的背部电极(10 组成的组件包括处理SOI衬底布置，其中所述衬底包括SOI衬底布置的基底层，并且所述振动膜包括所述SOI衬底的顶部硅层。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述图案化限定较窄的沟道，其中选择沟道宽度，使得用于限定开口的刻蚀条件获得部分地穿过衬底(201，202)延伸的沟道。
全文摘要
本发明公开了一种MEMS麦克风，包括支撑面(106)；支撑面(106)上的麦克风衬底(201，202)；在衬底上支撑的由麦克风振动膜(103)和间隔的背部电极(105)组成的组件。衬底在组件下面具有开口。支撑面(106)与衬底(201，202)之间的界面包括多个离散的间隔部分(201)。这种结构提供了对于在工艺期间可以增加的有差别的膨胀和收缩的某种回复力。支撑面可以是与衬底不同的材料，例如PCB层压片作为支撑面，而硅作为衬底。
文档编号H04R19/04GK102378092SQ20111023567
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月17日 优先权日2010年8月18日
发明者罗伯特·兰德 申请人:Nxp股份有限公司